3 Fyzická vrstva



3.1 Sériové linky

Sériový a paralelní přenos dat

Sériový přenos znamená, že pro přenos informace od odesilatele k příjemci je jen jedna dvojice vodičů (resp. u asymetrických rozhraní jeden vodič a společná zem), takže jednotlivé bity každého znaku se přenáší postupně za sebou - tj. sériově.

Paralelní přenos používá najednou osm vodičů (nebo násobek osmi), tj. všechny bity přenášeného znaku se mohou přenést najednou - tj. paralelně. Paralelní přenos se používá zejména uvnitř počítače na jeho sběrnicích, ale i třeba pro komunikaci s paralelní tiskárnou. Existují i modemy využívající paralelní rozhraní.



Symetrický a asymetrický signál

U sériových rozhraní bývají alespoň dva signály: příjem dat a vysílání dat. Pokud každý signál je realizován dvěma vodiči, pak hovoříme o symetrickém nebo diferenciálním signálu. Symetrické signály pro přenos dat používá např. rozhraní V.35 a X.21.
 

Synchronní nebo asynchronní přenos

• Synchronní, kdy se informace přenášejí po jednotlivých bitech. Okamžiky přechodu od přenosu jednoho přenášeného bitu k přenosu dalšího bitu jsou vždy stejně vzdáleny.
• Asynchronní, kdy okamžiky přechodu od přenosu jednoho bitu k přenosu dalšího bitu nejsou stejně vzdáleny. Zvláštním případem asynchronního přenosu dat je tzv. arytmický přenos. U arytmického přenosu je přenos znaků asynchronní, ale jednotlivé bity v přenášeném znaku se přenáší synchronně. Pokud se hovoří o asynchronním přenosu, pak se má většinou na mysli asynchronní arytmický přenos.


Obr. 3.1 Asynchronní arytmický přenos znaků
 


Obr. 3.2 Synchronní přenos


 

Normy V.24, V.35 a X.21



Obr. 3.3 Konektory používané pro rozhraní V.24, X.21 a V.35
 

	Popis signálů	od	Označení signálů		V.24		X.21		V.35
			EIA	ITU	25 Pin	9 Pin	15 Pin		Typ	34 Pin
							A	B		A	B
Zem	Ochranná zem		FG	101	1		1			A
	Signálová zem		SG	102	7	5	8			B
Data	Vysílání	p	TD	103	2	3	2	9	sym.	P	S
	Příjem	m	RD	104	3	2	4	11	sym.	R	T
Řízení	Výzva k vysílání “Počítač: jsem připraven komnikovat”	p	RTS	105	4	7	3	10	asym.	C
	Pohotovost k vysílání “Modem: jsem připraven”	m	CTS	106	5	8			asym.	D
	Modem zapnut	m	DSR	107	6	6			asym.	E
	Počítač zapnut	p	DTR	108/2	20	4			asym.	H
	Nosná	m	DCD	109	8	1	5	12	asym.	F
	Zvonek	m	RI	125	22	9			asym.	J
Hodiny	Generované počítačem	p	TTC	113	24				sym.	U	W
	Vysílané (z modemu)	m	TC	114	15		6	13	sym.	Y	AA
	Přijímané (z modemu)	m	RC	115	17				sym.	V	X
Test	Vzdálená digitální smyčka (V.54/2)	p	RLB	140	21
	Lokální analogová smyčka (V.54/3)	p	LLB	141	18
	Testovací mód	m	TM	142	25

Dialog mezi počítačem a modemem je schématicky vyjádřen na obr. 3.4. Signály DTR a DSR signalizují svému protějšku, že zařízení je zapnuto.

Obr. 3.4 Schématické znázornění dialogu mezi počítačem a modemem
 

Nulový modem

Pokud byste chtěli pomocí rozhraní V.24, X.21 či V.35 přímo propojit dva počítače stojící vedle sebe, pak propojovací šňůra musí být speciálně zapojená. Problém je v tom, že signály, které jedna strana na příslušném pinu vysílá musí přijímací strana přijímat na pinu určeném pro příjem ("vysílání musí být překříženo s příjmem"). Takováto propojovací šňůra se nazývá nulový modem.

Obr. 3.5 Některé varianty zapojení nulového modemu pro rozhraní V.24 / 25 pin.

3.2 Modemy


 
1. Komutovaná linka
2. Pevná linka

Komutovaná linka

 

Obr. 3.6 Komutovaná linka

Pevná linka

Modem je "automatický"

 
AT-příkazy

Pomocí AT-příkazů lze z počítače ovládat modem. AT-příkazy jsou jednoduché povely. Např. příkaz ATH znamená, že počítač do modemu odešle (resp. odešle na COM-port) řetězec ATH. Modem pak řetězec ATH interpretuje jako příkaz.

Počítač nejprve komunikuje pomocí AT-příkazů s místním modemem, po navázání spojení mezi modemy místní modem signalizuje AT-příkazem CONNECT navázání spojení a modem se přepne do datového režimu.
 

	Místní počítač				Místní modem (vytáčející)	Telefonní okruh	Vzdálený modem (očekávající)			Vzdálený počítač
Signalizace	105, RTS			?		nečinný		ß		105, RTS
				ß	106, CTS		106, CTS	?
AT-příkazy	AT			?
				ß	OK
	ATDtč			?
					vytáčí	vytváření okruhu (dohoda na nejvyšší možné rychlosti)	zvedá
Signalizace				ß	109, DCD	vytvořený	109, DCD		?
AT-příkazy				ß	CONNECT
Přenos dat			ß?

Synchronní přenos

Základní pásmo a přeložené pásmo


 
 Přeložené pásmo se dnes používá pro přenosové rychlosti do 56 Kb/s.

Obr. 3.7 Telefonní okruh procházející přes ústředny a zesilovací stanice
 


Obr. 3.8 Modemy pro základní pásmo vyžadují přímý metalický spoj
 
 

Přenosová rychlost

 

Doporučení ITU	Rychlost v Kb/s
V.32	9,6
V.32bis	14,4
V.34	28, 8
V.34+	33,6
V.90	56 (od ústředny k modemu) 33,6 (od modemu k ústředně)

Doporučení V.90


Obr. 3.9 Doporučení V.90

Komprese dat

MNP-5, V.42bis
 

Detekce chyb

MNP-2 až 4, V.42

3.3 Digitální okruhy

• Basic Rate pro eutoISDN2, což je typ připojení, kdy ve fyzicky jednom vedení (jedné kroucené dvojlince) jsou dva datové kanály B každý o kapacitě 64 kb/s a jeden signalizační kanál D o kapacitě 16 kb/s.
• Primary Rate pro euroISDN30, což je typ připojení, kdy ve fyzicky jednom vedení (např. lince E1) je třicet datových kanálů B, každý o kapacitě 64 kb/s a jeden signalizační kanál D o kapacitě 64 kb/s.

Obr. 3.10 euroISDN2 a euroISDN30

euroISDN2


euroISDN2 využívá stávající telefonní rozvody kroucenou dvoulinkou.

Obr. 3.11 euroISDN2
 

 
Obr. 3.12 Připojování zařízení na rozhraní S/T
 
euroISDN2 používá přenos rychlostí 192 kb/s, který je rozdělen do slotů pro jednotlivé kanály jak je znázorněno na obr 3.13.


Obr. 3.13 Rozdělení euroISDN2 na jednotlivé sloty

Protokoly vyšších vrstev a signalizace

Kanály B lze použít k telefonnímu hovoru, pak jeden slot příslušného kanálu B obsahuje jeden vzorek hovoru (zvukového signálu).

Při přenosu dat jsou do kanálů B vkládány rámce protokolu LAPB a do kanálu D jsou vkládány rámce protokolu LABD.


Obr. 3.14 Schématické znázornění rámce linkových protokolů LAPB a LAPD

Rozeznáváme dvě úrovně signalizace. Pomocí signalizace DSS1 vyžaduje uživatel zřízeni okruhu a další služby. Na straně poskytovatele se požadavky v signalizaci DSS1 zabalí do signalizace SS7 (slouží i pro signalizaci klasických analogových hovorů) a přenese se na stranu volaného. Na straně volaného se opět pomocí signalizace DSS1 signalizuje příchozí hovor.

Obr. 3.15 Signalizace DSS1 a SS7

Signalizace DSS1 je specifikována doporučeními ITU Q.931 a Q.932. Protokol Q.931 poskytuje základní služby jako vytvoření okruhu a z hlediska síťového modelu ISO OSI je síťovým protokolem. Protokol Q.931 poskytuje další služby jako je např. přidržení hovoru, z hlediska síťového modelu ISO OSI pokrývá protokol Q.932 transportní až aplikační vrstvu.

Obr. 3.16 DSS1 z hlediska modelu ISO OSI

Linky E


 

Linka	Přenosová rychlost kb/s
(E0)	64
E1	2 048
E2	8 448
E3	34 368
E4	139 264


Obr. 3.17 Super-rámec E1 rozdělen na 32 slotů po 64 kb/s

3.4 LAN

Lokální sítě jsou určeny pro propojení počítačů na kratší vzdálenosti (stovky metrů až kilometry). U lokálních sítí závisí volba fyzického rozhraní na volbě linkového protokolu. V dnešní době přicházejí v úvahu zejména čtyři typy linkových protokolů: Ethernet, Fast Ethernet, Gigabitový Ethernet a FDDI. Protokoly Arcnet a Token Ring jsou v praxi málo běžné.
 

Strukturovaná kabeláž



Obr. 3.18 Rozvody v budově

• Kategorie 5 , kdy dodavatel garantuje pracovat v šířce pásma do 100 MHz nezávisle na použitém protokolu (Etherent, Token Ring, CDDI atd.).
• Rozšířená kategorie 5 (nebo také 5+), procuje rovněž v šířce pásma do 100 MHz, avšak vyžaduje nové způsoby měření parametrů a v některých parametrech je přísnější. Cílem je provozovat Gigabitový Ethernet.
• Kategorie 6 s šířkou pásma do 200 MHz.
• Kategorie 7 s šířkou pásma do 600 MHz.

Měděné rozvody

Měděné rozvody se provádí pomocí svazků kroucených dvojlinek. Jednotlivé místnosti se opatřují zásuvkami pro konektor RJ 45 (viz obr. 3.19).

Obr. 3.19 Konektor RJ 45

Konektor RJ 45 (“kostka cukru”) obsahuje 8 vývodů pro 4 páry. Nejčastěji se používá zapojení dle EIA 568B (viz obr. 3.20). Toto zapojení umožňuje např. pár číslo 1 použít pro telefon (analogový) a páry 2 a 3 např. pro ethernet (pár 4 zůstává v tomto případě volný).

Obr. 3.20 EIA 568B – zapojení jednotlivých párů
 

Optická vlákna


Optická vlákna jsou tvořena dvěmi vrstvami skla. Jeden typ skla je použit pro jádro vlákna a jiný typ skla pro obal vlákna. V jádře vlákna je veden optický paprsek, který se postupně odráží od rozhraní mezi dvěma druhy skla (viz obr. 3.21).

Sklo má nízký optický odpor pouze pro tři vlnové délky skla: 850 nm, 1300 nm a 1500 nm, pro se vždy k buzení optického signálu používá jedna z těchto vlnových délek.

Optické vlákno je vždy simplexní spoj, tj. na jedné straně je vysílač a na druhé straně přijímač. Pro duplexní spoje (což je téměř vždy) je nutná dvojice vláken – pro každý směr jedno vlákno.

Obr. 3.21 Optické vlákno

I když vlákno má zpravidla průměr 125m m, tak jádro vlákna máme dvojího průměru jádra:

• O průměru 50mm (resp. 62,5mm), pak hovoříme o vícevidovém vlákně (multi mod). Vicevidová vlákna se budí pomocí LED, avšak v poslední době se např. u gigabitového ethernetu již setkáváme také s buzením laserem.
• O průměru 9 m m, pak hovoříme o jednovidovém vlákně (singe mod). Jednovidová vlákna mají již tak úzké jádro, že paprsek se šíří jádrem vlákna rovnoběžně, tj. neodráží se od rozhraní mezi oběma druhy skel. Jednovidová vlákna se zásadě budí laserem. Jednovidová vlákna jsou určena pro spoje na velké vzdálenosti.

Na obr. 3.22 je znázorněna ochrana optických vláken. Optická vlákna jsou nejprve obalena tzv. primární ochranou, která zajišťuje pružnost vlákna. Bez primární ochrany je vlákno velice křehké. Sekundární ochrana, pak zvyšuje ochranu vlákna. S odstraněnou sekundární ochranou se již setkáváme u optických propojovacích kabelů.

S optickými kabely, které mají odstraněnu sekundární ochranu se v běžných firemních podmínkách obtížně pracuje. V této sféře jsou populární optická vlákna s tzv. těsnou sekundární ochranou (průměr 900 mm = 0,9 mm), která integruje primární i sekundární ochranu. Takové kabely jsou o něco dražší (proto se nehodí na propojování velkých vzdáleností), ale na druhou stranu je možné na tyto kabely přímo nasadit optické konektory.

Pokud se použijí kabely s primární ochranou, tak se musí používat továrně připravené optické konektory nasazené na kus optického vlákna, tzv. prasečí ocásky (pig tail). Prasečí ocásek se pak navařuje na vlákno.

Obr. 3.24 Chybný svár optického vlákna způsobí neprostupnou překážku světelnému paprsku.

Obr. 3.25 Správně provedený svár netvoří procházejícímu paprsku překážku

.

Obr. 3.26 Optický konektor (bez mechanizmu uchycení)
 

Princip optického konektoru je znázorněn na obr. 3.26. Na tomto obrázku není znázorněn mechanismus, kterým je vlákno přitlačováno do dutinky.

Ethernet (10 Mb/s)

AUI (označované též jako 10BASE-5) je rozhraní (konektor CANNON 15), na které se připojuje šňůra propojující počítač s tzv. transceiverem.

Obr. 3.27 Zapojení rozhraní AUI
 

Vývod	Funkce	Vývod	Funkce
1	Kolize – stínění	9	Kolize -
2	Kolize +	10	Vysílání -
3	Vysílání +	11	Vysílání – stínění
4	Příjem – stínění	12	Příjem -
5	Příjem +	13	Napájení +12 V
6	Napájení -	14	Napájení – stínění
7	-	15	-
8	-


 

BNC (označované též jako 10BASE-2) je rozhraní pro připojení na tenký koaxiální kabel.

Kroucená dvojlinka (zkratkou TP, označovaná též jako 10BASE-T) se připojuje konektorem RJ45 ("kostka cukru")

TP používá dva páry v konektoru RJ45 jak je znázorněno na obr. 3.28. (Všimněte si, že vývody 4 a 5 zůstávají volné, takže je lze použít pro telefon (analogový).


Obr. 3.28 Zapojení vývodů pro 10BASE-T (resp. 100BASE-TX)

V konektoru RJ45 se používají pro Ethernet dva páry. Jeden pár pro vysílání, druhý pár pro příjem. V případě, že ethernetový segment sdílejí pouze dvě stanice, které jsou propojeny přímo propojovacím kabelem, pak musí být páry překříženy (tj. překřížen příjem s vysíláním) – viz obr. 3.29.

Obr. 3.29 Propojovací kabely pro TP

Segment tvořený pouze dvěma stanicemi je velice zajímavým segmentem. Síťová rozhraní se na takovémto segmentu přepínají do plně duplexního provozu (Full Duplex), kdy se zcela oddělí vysílání od příjmu. Na takovémto segmentu nemůže dojít ke kolizím (vysílání je přímo napojeno na příjem a nikdo třetí do toho nemůže vstoupit), proto zde lze dosáhnout přenosových rychlostí blížících se teoretickému maximu (10 Mb/s pro Ethernet a 100 Mb/s pro Fast Ethernet) a to samostatně v každém směru! Na tomto principu je založen tzv. přepínaný Ethernet.

Ethernet na optických vláknech se označuje též jako 10BASE-F. Zasadně se vždy používá pár optických vláken – pro každý směr komunikace jedno vlákno.

Fast Ethernet (100 Mb/s)

Fast Ethernet se připojuje kroucenou dvojlinkou (označení 100BASE-TX) nebo optickým spojem (označení 100BASE-FX). Rozdíl oproti klasickému ethernetu je pouze v kvalitě vedení. Současné rozvody se většinou staví minimálně kategorie 5, takže nasazení Fast Ethernetu jim nečiní potíží.

Gigabitový Etherent (1 Gb/s)

Gigabitový Etherent je standardizován pro optické spoje a pro kroucenou dvojlinku (4 páry).

Pro jednovidová vlákna je určen standard pod označením 1000BASE-LX buzený laserem o frekvenci 1300 nm s maximální délkou segmentu do 2 km (jednovidová vlákna na plně duplexních segmentech až do 40 km). Pro vícevidová vlákna může týž stadard (1000BASE-LX) pracovat až do vzdíálenosti 450 m.

Pouze pro vícevidová vlákna je určen standard 1000BASE-SX, který je buzen laserem o frekvenci 850 nm a je určen pro vzdálenosti do 250m.

Standard pro metalické spoje 1000BASE-CX bude využívat současných rozvodů kategorie 5+ (100 MHz), avšak využije všechny čtyři páry kroucené dvojlinky (tj. všech 8 vývodu konektoru RJ45).

FDDI

FDDI existují dvě varianty: na optickém vlákně (FDDI) nebo na kroucené dvoulince (CDDI). Na jedné LAN je možné obě eventuality i kombinovat. Přednost se dává kroucené dvojlince a pro připojení vzdálenějších uzlů se použije světelné vlákno. Vývody opět zpravidla vedou distribuční box optiky v případě optických rozvodu a v na propojovací panel v případě měděných rozvodů.